500 kV輸電線路接地網防腐措施研究

談得意，羅向強，趙 淵，蘭 澳

（1.國網四川省電力公司 檢修公司,四川 成都 610000；2.國網湖北直流運檢公司，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

輸電線路接地網是保障線路安全穩定運行和檢修人員人身安全的重要設備。當接地網在土壤中受到周邊環境影響而產生不同程度的腐蝕時，雷電流及短路電流無法迅速有效的由接地網向大地傳導，從而導致輸電鐵塔附近產生跨步電壓升高，出現威脅現場檢修人員安全的問題[1]。在全世界已經出現多起因接地網本身缺陷而造成的電網事故，因此研究如何提高接地網使用壽命，降低腐蝕速率非常有必要。

1 現有輸電線路接地網防腐措施

現有接地網主要是利用角鋼和圓鋼相互焊接構成，并且長期埋設在地下，材料的腐蝕速率受土壤環境影響較大，特別是酸性土壤會極大加速材料的腐蝕[2]。下面介紹幾種常用的接地網防腐技術。

1.1 增大接地材料橫截面積

增大接地材料橫截面積是目前改善接地網腐蝕最直接的措施。由于現有接地網材料在土壤中一定存在腐蝕情況，因此對于土壤環境干燥的地區可以通過選用更大規格的接地材料來增大接地網使用壽命[3]。但這種方式會造成鋼材的消耗量大幅度增加，并且增大施工成本。

1.2 噴涂導電材料

在鋼材表面噴涂導電材料是一種常用的防腐方法，主要原理是利用有機高分子聚合物耐腐蝕的特點，在聚合物內部加入部分導電顆粒，使材料既能耐腐蝕，也具有良好的導電特性[4]。但是由于涂層硬度不高，與原鋼等材料的結合強度不夠，容易在施工時造成涂層破損。因此該方法主要應用在電路板等電子行業內，在輸電線路接地網上的應用較少。

1.3 犧牲陽極的陰極保護技術

目前，該方法是非常有效的一種防腐技術，主要原理是通過在被保護鋼材附近放置活潑金屬，如鋅塊，然后將被保護鋼材和鋅塊連接起來。因為鋅的金屬活潑性大于鐵，所以在發生電化學腐蝕時，接地網作為陰極不會發生化學反應[5]。在陰極保護裝置設計過程中需要考慮土壤特點和接地網總面積等因素，并且由于鋅塊作為消耗性材料，需要定期開展維護，存在使用成本過高的問題。

1.4 選擇不同接地網材料

到現在為止，國內輸電線路接地體的材料主要是鋼和銅。相對于鋼來說，銅的導電性能和化學穩定性都優于鋼，在土壤環境中的腐蝕速率更低，僅為鋼腐蝕速率的25%左右。在國外，主要采用銅制接地體，但在國內，由于價格因素，銅采用的相對較少。此外，當銅長時間埋設在土壤中時，會造成該地區重金屬污染，嚴重影響附近居民的生產生活。

2 鎳基金屬陶瓷涂層的制備

我國輸電線路接地網常采用Q235鋼制成，該材料具有價格低廉和導電性能好的優點。在接地網實際工作環境中，接地網涂層需滿足相應的條件。即涂層需具備良好的導電性能，而且為保證在施工過程中不出現涂層破損等問題，涂層應具有一定的硬度[6]。因此，本文以Q235鋼材為基底，使用超音速火焰噴涂法在表面噴涂NiCr金屬陶瓷涂層進行相應研究試驗。

2.1 基底材料前期處理

基底材料的前期處理步驟如下。首先將Q235鋼切割成45 mm×45 mm×10 mm的長方體形式；其次利用LH型油污清洗劑對基底進行浸泡，然后對基底進行清洗風干；最后使用TS-GY-9080加壓式噴砂機對基底噴砂除銹。

2.2 制備流程

由于涂層厚度是影響抗腐蝕效果的一個重要因素，而超音速火焰噴涂設備的送粉電壓及噴涂層數會對涂層厚度產生影響。因此本文以送粉電壓及噴涂層數作為變量進行試驗制備，并對個試驗材料進行編號，如表1所示，其中編號的第一個數字表示送粉電壓，第二個數字表示噴涂層數，如編號3-2指送粉電壓為3 V，噴涂層數為兩層。

表1 涂層制備試驗表

使用超音速火焰噴涂法將NiCr金屬陶瓷材料制備到Q235鋼基底上的流程如圖1所示。

圖1 金屬陶瓷涂層制備流程圖

3 涂層性能試驗分析

由于需要探究制備的金屬陶瓷涂層性能是否滿足硬度、導電性能以及抗腐蝕性能的要求，因此試驗中采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）掃描電鏡測量涂層厚度，利用顯微硬度計測量涂層的硬度，利用劃痕試驗法測量涂層與Q235鋼基底之間的結合強度是否滿足要求。

3.1 涂層厚度測量

利用超音速火焰噴涂法制備了不同噴涂層數的金屬陶瓷涂層試樣，并利用SEM掃描電鏡儀獲得了不同試樣的SEM圖，如圖2所示。整體來看，在1 000倍顯微鏡下金屬陶瓷涂層隨著噴涂層數的增大，涂層厚度明顯增厚；層數多的涂層外表面相對更加平滑，可能是由于多次噴涂過程中金屬微粒更容易附著在凹面處。利用軟件多次測量涂層不同位置厚度，取平均值，得到涂層厚度如表2所示。

表2 NiCr金屬陶瓷涂層厚度

圖2 金屬陶瓷涂層SEM圖

3.2 涂層硬度測量

本次試驗采用顯微硬度計，基于維氏硬度測量法對制備的各個涂層樣品進行硬度測量。樣品涂層厚度大約為64 μm，壓力荷載采用150 g，劃痕作用時間為6 s。對每個試樣測量6次并取平均，得到如圖3所示的試樣硬度值。通過圖中可以容易看出涂層硬度為852 HV，高于基底Q235鋼的硬度，因此涂層硬度滿足試驗要求。

圖3 金屬陶瓷涂層及Q235鋼硬度圖

3.3 涂層抗腐蝕性能試驗

本次制備的NiCr金屬陶瓷涂層不僅需滿足硬度要求，還需要檢驗其抗腐蝕性能是否更強。因此，本文采用中性鹽霧腐蝕試驗開展試樣抗腐蝕性能試驗。

試驗中，首先將制備好的試樣以及同樣尺寸的Q235原鋼稱重后，放置到鹽霧腐蝕試驗箱內。其次利用高純度NaCl顆粒與蒸餾水調制15 L濃度為（50±5）g/L的鹽水溶液，PH值為7。最后在箱體內加入配置好的溶液，打開鹽霧噴噴頭，開始進行中性鹽霧腐蝕試驗。每隔一段時間，取出樣品進行除銹工作后稱量，得到不同時間點試樣銹蝕失重值。

開展120 h鹽霧腐蝕試驗后，試樣銹蝕如圖4所示。通過圖中可以看出，原鋼已經全面銹蝕。而金屬陶瓷涂層試樣隨著噴涂層數的增加，試樣銹蝕程度越低。而3-4、3-5和3-6號涂層銹蝕程度大致相同。

圖4 試樣鹽霧銹蝕圖片

在中性鹽霧腐蝕試驗中，分別在不同時間段對除銹后的試樣進行稱量，得到每個試樣失重量，然后對數據進行處理，得到如圖5所示的NiCr金屬陶瓷涂層銹蝕失重-時間曲線。從中可以看出，利用超音速火焰噴涂制備的NiCr金屬陶瓷涂層的抗腐蝕性能高于Q235鋼，并且試樣編號為3-4的金屬陶瓷涂層樣品的抗腐蝕性能最優。

圖5 NiCr金屬陶瓷涂層銹蝕失重-時間曲線

3.4 涂層電學性能試驗

3.4.1 涂層的體積電阻率

制備成的金屬陶瓷涂層材料接地網電氣性能主要體現在體積電阻率上。因此本文利用數字微歐計結合四探針法測量金屬陶瓷涂層的體積電阻率。所制備金屬陶瓷涂層的體積電導率如表3所示。

表3 試樣體積電阻率

從表3可以看出，制備的金屬陶瓷涂層體積電阻率隨著涂層厚度的增加而增加，但和未噴涂的Q235鋼體積電阻率相比，最大也只增加78.8 μΩ·cm，滿足作為接地網散流的電氣要求。

3.4.2 接地體接地電阻

由于現有標準中，輸電線路接地網接地電阻需滿足一定的要求，因此本文使用DET2/2型接地阻抗測量儀，采用三角形測量法測量試樣接地電阻。此次試驗制備的材料尺寸為20 cm×5 cm×0.5 cm，試樣的接地電阻如圖6所示。

圖6 試樣材料接地電阻平均值

通過分析可知，試樣材料最大接地電阻為109.3 Ω，最小值為64.5 Ω，其中同樣試樣參數的Q235鋼接地電阻值為62.8 Ω。通過比較分析，編號3-2、3-3、3-4的試樣接地電阻值未過大超過Q235鋼接地電阻值的20%，因此上述3種編號的NiCr金屬陶瓷涂層試樣的接地電阻性能滿足工程要求。

4 結 論

通過對制備試樣進行試驗分析得出以下3點結論。一是利用超音速火焰噴涂制備的NiCr金屬陶瓷涂層的電氣性能滿足工程實際要求。二是通過中性鹽霧腐蝕試驗，NiCr金屬陶瓷涂層的抗銹蝕能力優于現有Q235鋼接地體。三是當金屬陶瓷涂層制備參數與編號為3-4試樣的參數相同，既送粉電壓為3 V，噴涂層數為4層時，制備出的NiCr金屬陶瓷涂層抗腐蝕性能最好并滿足實際工程電氣性能要求。